Capitolul 2

Introducere în cibernetica

CAPITOLUL 2 COMPONENTE ALE DISPOZITIVULUI DE AUTOMATIZARE Asa cum a reiesit din capitolul precedent în structura unui sistem cu reglare automata (SRA) intra doua entitati importante si anume: - procesul; - dispozitivul de automatizare. Prezentul capitol îsi propune ca obiectiv acomodarea studentilor cu problematica elementelor dispozitivului de automatizare (DA). În cadrul disciplinelor de specialitate elementele componente ale DA vor fi pe larg prezentate si analizate. 2.1.

Elemente introductive

Indiferent de maniera în care este elaborata marimea de comanda 1, în structura unui dispozitiv de automatizare intra elemente care sa permita realizarea urmatoarelor trei functii considerate fundamentale: - functia de masurare; - functia de comanda; - functia de executie. Functia de masurare permite obtinerea de elemente aferente marimii reglate sau / si marimilor perturbatoare, elemente care vor servi la determinarea marimii de comanda. Functia de comanda permite determinarea marimii de comanda pe baza unui algoritm universal sau a unuia specific procesului. La elaborarea comenzii mai concura informatiile preluate de la sistemele de masurat si anumite elemente furnizate DA cum ar fi: referinta, parametrii de acordare ai regulatorului, parametri necesitati de diverse modele etc. Functia de executie asigura implementarea comenzii în proces. Este de mentionat faptul ca realizarea reglarii implica existenta unei marimi de executie (agent de reglare) asupra careia sa actioneze elementul de executie. Aceasta marime trebuie sa se afle la dispozitia unui singur SRA , motiv pentru care numarul de sisteme cu reglare dintr -o instalatie este d eterminat de numarul de agenti de reglare disponibili. Una din acceptiunile notiunii de automat este aceea de sistem care evolueaza fara a necesita influenta nemijlocita a omului. În aceste conditii se poate spune ca în structura unui automat intra obligatoriu pe lânga DA obiectul automatizarii respectiv procesul. Dupa cum se observa din figura 2.1, cele doua entitati sunt conectate prin marimea de executie m si reactie r. 1

Actiune dupa abatere, dupa perturbatie sau combinata.

Capitolul 2

37

Introducere în cibernetica

p

i

m DA r

y

Proces

Fig. 2.1. Elementele si marimile aferente unui automat.

Este de mentionat faptul ca elementele DA au cunoscut de-a lungul vremii perfectionari tehnologice, însa functiile lor în cadrul SRA au ramas nemodificate. La realizarea aparaturii de automatizare sunt utilizate componente electronice electrice, mecanice, pneumatice etc. În momentul actual marea majoritate a elementelor DA contin importante sectiuni electronice care includ chiar microprocesoare. Aceasta înzestrare a conferit, datorita logicii programate, posibilitati de configurare, procesare locala, scalare automata etc. Posibilitatile mentionate justifica într-o oarecare masura atributul de aparatura inteligenta (smart) acordat aparaturii moderne de automatizare. 2.2.

Sisteme de masurat

Masurarea reprezinta un proces experimental de comparare a marimii care se masoara, x cu o alta marime de aceiasi natura u m numita unitate de masura. Rezultatul masurarii este un numar adimensional care arata de câte ori unitatea de masura este cuprinsa în masurand (marimea care se masoara) respectiv,

n=

x . um

Relatia (2.1) permite determinarea valorii x daca se cunoaste numarul n unitatea de masura este definita.

(2.1) si daca

Orice proces de masurare este însotit de erori, între care semnificative sunt erorile absoluta si relativa. Eroarea absoluta este definita ca diferenta între valoarea masurata si cea reala respectiv 2

eabs = xm − xr .

(2.2)

2

Întrucât valoarea reala a marimii nu este cunoscuta, rezulta ca nici eroarea absoluta reala nu poate fi cunoscuta. De regula valoarea reala xr se înlocuieste cu o valoare conventionala xc obtinuta cu un aparat de precizie superioara celui cu care se efectueaza masurarea curenta.

Capitolul 2

38

Introducere în cibernetica

Eroarea relativa se defineste functie de eroarea absoluta si valoarea masurata conform relatiei

e erel = abs ⋅100 xm

(2.3)

O eroare relativa aparte este eroarea relativa normata , în care eroarea absoluta se raporteaza la domeniul de masurare D, respectiv

e erel norm = abs ⋅100 . D

(2.4)

Daca în relatia (2.4) eabs se înlocuieste cu eroarea absoluta maxima, se obtine clasa de precizie CP, care constituie principalul indicator pentru evaluarea performantelor unui aparat de masurat, e CP = abs max ⋅100 . D

(2.5)

În contextul DA prezinta interes sistemele de masurat la distanta (SMD), un asemenea sistem fiind format din traductor, linie de transmisie la distanta, aparat de vizualizare (figura 2.2).

x

s Traductor

Aparat de vizualiz are

xm

Fig. 2.2. Sistem de masurat: x – marime care se masoara; s – semnal; xm – rezultat masurare.

De regula un SMD poate avea ca utilizatori regulatorul din cadrul DA sau operatorul uman. Regulatorului îi este suficient semnalul 3 purtator de informatie s, în timp ce pentru utilizatorul uman este absolut necesara prezenta aparatului de vizualizare. 2.2.1. Traductoare Traductorul este un element al DA care transpune variatiile unei marimi x aplicate la intrare în variatii ale unui semnal purtator de informatie. Cu toate ca traductoarele sunt de o mare diversitate, ele pot fi clasificate dupa mai multe criterii, dintre care în continuare vor fi prezentate cele mai importante.

3

Un semnal reprezinta o marime fizica apta de a se propaga într-un anumit mediu. În general notiunea de semnal se refera la acele marimi fizice care contin un mesaj destinat unui receptor. În cadrul DA semnalele pot fi în curent , tensiune, presiune, în cadrul unor domenii unificate cum ar fi: curent – 4…20 mA, tensiune – 1…5 V, presiune- 0,2… 1 bar.

Capitolul 2

39

Introducere în cibernetica

• Dupa marimea aplicata la intrare traductoarele pot fi de : temperatura, presiune, debit, nivel, concentratie, deplasare, forta etc. • Dupa natura fenomenelor care stau la baza functionarii traductoarelor acestea pot fi generatoare sau parametrice. Traductoarele generatoare genereaza un semnal purtator de informatie dependent de marimea variabilei aplicate la intrare folosind pentru aceasta energia mediului aferent marimii traduse sau o sursa externa. Traductoarele parametrice pun în evidenta variatiile marimii aplicate la intrare, prin variatii ale unor parametri asociati functionarii lor cum ar fi: rezistenta electrica, capacitatea electrica, lungimea, etc. • Dupa natura semnalului purtator de informatie asociat traductoarele pot fi de tip analogic 4 sau discret 5. • Dupa modalitatea de obtinere a semnalului de iesire traductoarele pot fi cu transformare directa sau cu transformari succesive. Traductoarele cu transformare directa convertesc variatiile marimii de intrare în variatii ale semnalului printr-o singura transformare. Traductoarele cu transformari succesive presupun obtinerea variatiilor semnalului de iesire prin doua sau mai multe transformari aplicate variatiilor marimii de intrare. Având în vedere ca de regula semnalele sunt în domeniu unificat se poate admite ca marea majoritate a traductoarelor sunt cu transformari succesive. În cazul în care sunt necesare doua transformari, traductorul este format din detector si adaptor, a caror interconectare este ilustrata în figura 2.3.

x

mi Detector

s Adaptor

Fig. 2.3. Structura unui traductor cu doua transformari succesive: x – marime primara; mi – marime intermediara; s – semnal.

În continuare vor fi prezentate trasaturi importante ale câtorva tipuri de detectoare (senzori) si anume a senzorilor pentru debit, presiune, temperatura, nivel. Vor fi avute în vedere cu precadere considerente de ordin fenomenolgic si al caracterizarii informationale (intrare – iesire).

4

Semnalele analogice au variatii continue similare cu cele ale marimilor primare pe care le reprezinta. Relatiile care reprezinta dependenta iesirii fata de intrare la dispozitivele analogice sunt functii continue liniare sau neliniare. 5 Un semnal discret are asociata o functie discreta, respectiv o functie f : T → R unde T ⊂ Z . Spre deosebire de un semnal analogic care admite într-un anumit domeniu o infinitate de valori, un semnal discret are prezinta un numar finit de valori.

Capitolul 2

40

Introducere în cibernetica

Senzori de debit. Debitul unui fluid este reprezentat de cantitatea sau volumul din respectivul fluid care traverseaza o sectiune în unitatea de timp. Relatiile de calcul pentru cele doua tipuri de debit sunt: m 3   s  

V Qv = = S ⋅ v t

Q

m

=

(2.6)

m = ρ ⋅ S ⋅ v kg   s  t

(2.7)

unde: Qv si Qm sunt debitele volumic respectiv masic; S – aria sectiunii de trecere a fluidului; v - viteza fluidului; ρ – densitatea fluidului.

Pentru determinarea debitului volumic trebuie cunoscuta viteza. Între cei mai raspânditi senzori de debit sunt cei a caror functionare se bazeaza pe dependenta între caderea de presiune pe o rezistenta hidraulica si viteza. În figura 2.4 este reprezentata schema unui traductor de debit care contine un asemenea senzor.

∆p

Q DDS

Adaptor

i

∆p / i

Fig. 2.4. Structura unui traductor de debit cu element de strangulare: DDS – detector de debit cu strangulare; Q – debit; ∆ p – diferenta de presiune; i – semnal de iesire în curent.

Unul dintre cei mai raspânditi senzori cu strangulare este cel de tip diafragma. Diafragma este un disc metalic cu un orificiu circular (în majoritatea cazurilor centrat), care se introduce pe tronsonul de conducta perpendicular pe directia de curgere a fluidului. Montajul efectiv al diafragmei se poate face între flanse sau în camere de masura. În amonte si în aval fata de diafragma exista stuturi pentru prelevarea presiunilor statice aferente P1 si P2. În figura 2.5 sunt prezentate elemente aferente senzorului de debit tip diafragma. ∆ P = P − P debitele volumic 1 2 respectiv masic se pot calcula cu ajutorul relatiilor de mai jos:

Cunoscând caderea de presiune pe diafragma ∆P Q = αεA 2 v 0 ρ Q = αεA 2 ρ ∆ P m 0

Capitolul 2

m 3   s ;   kg   s 

(2.8)

.

(2.9)

41

Introducere în cibernetica

unde: α este coeficient de debit (adimensional);

ε – coeficient de compresibilitate (adimensional); A 0 – aria orificiului diafragmei (m2);

∆p – cadere de presiune pe diafragma. a

b

Q

d

P2

P1

D

c

P

∆P

P1

?P

P2

e

x Q

EDD

∆P

Q

d Fig. 2.5. Elemente ale senzorului de debit tip diafragma: a – schema principiala de montaj a diafragmei între flanse; vedere frontala a diafragmei; c – variatia presiunii statice în zona diafragmei; marimile asociate elementului de debit tip diafragma (EDD) ; e- caracteristica statica a EDD; D – diametrul interior al conductei; D – diametrul orificiului diafragmei; P1 – presiunea înaintea diafragmei; P 2 – presiunea dupa diafragma; Q – debitul; ∆P – diferenta de presiune (P1 – P2 ).

Dupa cum se observa din figura 2.5 e, caracteristica statica 6, respectiv dependenta ∆P =f(Q), este neliniara (parabolica). În ceea ce priveste adaptorul, pentru senzorul tip diafragma, acesta converteste variatiile de presiune diferentiala în variatii de curent. Convertirea nu este directa ci trece prin marimi intermediare. În figura 2.6 se prezinta scheme simplificata ale unor asemenea adaptoare reali zate cu burduf sau cu capsula..

6

Caracteristica statica a unui element este definita ca dependenta a marimii de iesire fata de marimea de intrare.

Capitolul 2

42

Introducere în cibernetica

i

Fig. 2.6. Adaptoare de presiune diferentiala: a – adaptor presiune diferentiala curent (senzor de presiune diferentiala cu burduf); b – senzor de presiune diferentiala cu capsula; 1 – EDD; 2 – ax burdufuri; 3 – burdufuri; 4 – ax cu tub de torsiune; 5 – corp senzor diferena de presiune; 6 – adaptor unghi – curent

Analizând figura 2.6 se observa ca practic adapto rul cu burdufuri este un traductor de presiune diferentiala, a carui structura este evidentiata în figura 2.7. Detectorul cu burdufuri converteste variatiile de presiune diferentiala în deplasari unghiulare, care sunt preluate de adaptor si convertite în variatii ale curentului de iesire.

∆P

α D

∆P

i Ad

α /i

Fig. 2.7. Structura unui traductor de presiune diferentiala (adaptor presiune diferentiala curent): D ∆P – detector de presiune diferentiala; Ad α / i - deplasare unghiulara – curent.

Capitolul 2

43

Introducere în cibernetica

Senzori de presiune. Cei mai raspânditi senzori de presiune permit evaluarea presiunii pe baza unor efecte cum ar fi: -

deformatia elastica a unui element sensibil sub actiunea presiunii;

-

echilibrarea presiunii necunoscute cu o presiune cunoscuta;

-

variatia unor parametri electrici cu presiunea;

-

etc.

Pentru exemplificare în cele ce urmeaza vor fi prezentate câteva elemente specifice senzorilor de tip element elastic. Functionarea acestor senzori se bazeaza pe dependenta existenta între deformatia unui element sensibil de natura elastica si presiunea la care acesta este supus. Ca elemente elastice sunt de mentionat: -

tuburi Bourdon;

-

membrane;

-

capsule;

-

burdufuri.

În figura 2.7 au fost prezentati senzori de presiune diferentiala cu burdufuri si membrane în calitate de elemente elastice. Pentru a completa paleta, în figura 2.8 sunt evidentiate structurile principiale a doua tipuri de traductoare de presiune cu senzori de tip tub Bourdon si capsula.

i i

Fig. 2.8. Traductoare de presiune (TP); a – cu senzor de tip tub Bourdon; b – cu senzor de tip capsula; 1 – tub Bourdon; 2 – pârghie; 3 – ax rotatie; adaptor deplasare unghiulara – curent; 5 –capsula din membrane.; 6 – bara de forte (pârghie).

Capitolul 2

44

Introducere în cibernetica

Tuburile Bourdon sunt tuburi metalice cu sectiune eliptica curbate sub forma de elice de regula cu o singura spira. Sub actiunea presiunii interioare, tubul curbat tinde sa se îndrepte deoarece sectiunea eliptica tinde sa devina circulara. Se demonstreaza ca sub actiunea presiunii între anumite limite deplasarea capatului liber al tubului este proportionala cu presiunea. Capsulele elastice sunt formate din doua membrane, din care una este fixa. Sub actiunea presiunii, membrana mobila se deplaseaza pe o distanta proportionala cu presiunea. Pentru ambele tipuri de senzori din figura 2.8 exista un sistem de pârghii care transforma deplasarea liniara în deplasare unghiulara care este apoi preluata de catre adaptorul unghi / c urent. Senzori de temperatura. Temperatura unui corp (solid, lichid sau gazos) poate fi determinata pe baza influentei acesteia asupra unei proprietati a corpului respectiv sau a altuia pus în contact cu el si care reprezinta senzorul de temperatura. Între marimile semnificative influentate de temperatura pot fi mentionate: -

tensiunea termoelectromotoare;

-

rezistenta electrica;

-

dimensiunile geometrice;

-

intensitatea radiatiilor termice;

-

etc.

În cele ce urmeaza se vor face câteva referiri la senzorii termoelectrici si anume la cei de tip termogenerator si termorezistiv • Senzorii de tip termogenerator îsi bazeaza functionarea pe aparitia unei tensiuni termelectromotoare între capetele libere a doi electrozi sudati la un capat (figura 2.9). EAB Fig.

+

_

1

T0 B

2

2.9. Senzor de temperatura termogenerator (termocuplu): a – structura principiala; b – protectia termocuplului cu o teaca; A, B – electrozi; EAB – tensiune termoelectromotoare; T, T0 – temperaturile în zona sudurii, respectiv la capetele reci; 1 – termocuplu; 2 – teaca de protectie.

T

Capitolul 2

45

Introducere în cibernetica

Tensiunea termoelectromotoare EAB se datoreaza concentratiei diferite de electroni liberi în cele doua metale A si B si are expresia E AB = aAB (T-T0);

(2.10)

unde aAB este sensibilitatea medie a termocuplului iat T si T0 sunt temperaturile la care se gasesc capetele sudate, respectiv capetele reci. Din punct de vedere dinamic, transferul termic asociat unui termocuplu poate fi descris printr-o ecuatie diferentiala ordinara liniara neomogena de ordinul unu, respectiv a

dE + E = a (T-T ) AB 0 dt

(2.11)

unde constanta de timp a este ordinul (10 – 80 secunde). Termocuplul este un senzor de tip generator, care genereaza o tensiune termoelectromotoare. Daca se doreste ca marime de iesire un curent în domeniu unificat (de exemplu 4…20 mA) se utilizeaza un adaptor tensiune - curent.. Ansamblul celor doua elemente formeaza un traductor generator de temperatura. • Senzorii de tip termorezistiv (termorezistentele)îsi bazeaza functionarea pe dependenta rezistentei electrice (mai precis a rezistivitatii7) fata de temperatura. Termorezistentele sunt confectionate dintr-un fir de metal pur (platina, nichel, cupru, fier, Wolfram s.a.) bobinat neinductiv pe un suport izolator si introdus într-o teaca de protectie (figura 2.10).

Fig.

1 2

2.10. Senzor de temperatura termoparametric (termorezistenta): 1 – fir bobinat neinductiv; 2 - suport izolator pentru bobina; 3 – teaca.

3

Pentru senzorii de tip termorezistiv, se poate considera cu buna aproximatie dependenta între rezistenta si temperatura ca fiind de tip liniar, respectiv

7

Pentru un conductor metalic de lungime L si sectiune S, rezistenta electrica se calculeaza cu relatia R = ?L/S, unde ? este o constanta de material, care se numeste rezistivitate electrica.

Capitolul 2

46

Introducere în cibernetica

[

]

RT = RT 1 + a(T-T 0 ) , : 0

unde RT

(2.12)

este rezistenta la temperatura T;

RT0

– rezistenta la temperatura de referinta T0;

a

- coeficient de sensibilitate specific materialului

Termorezistenta este un senzor de tip parametric, parametrul care se modifica în raport cu temperatura fiind rezistenta electrica. Daca se doreste ca marime de iesire un curent în domeniu unificat (de exemplu 4…20 mA) se utilizeaza un adaptor rezistenta curent. Ansamblul celor doua elemente formeaza un traductor parametric de temperatura. Senzori de nivel. Nivelul unui lichid sau nivelul de interfata dintre doua lichide nemiscibile poate fi determinat prin mai multe metode cum ar fi: - urmarirea suprafetei libere sau a suprafetei de separatie; - masurarea presiunii hidrostatice a unei coloane de lichid; - urmarirea modificarii unui parametru electric cu nivelul; - evaluarea debitului de gaz printr-un strat fluidizat (care este functie de nivel); - etc. Între cei mai raspânditi senzori de nivel sunt cei bazati pe urmarirea suprafetei de nivel. Principial exista doua categorii de asemenea senzori si anume cu plutitor si cu imersor. Plutitorul se deplaseaza odata cu suprafata lichidului , miscarea sa determinata de variatiile de nivel, fiind transmisa permanent în afara recipientului în care se gaseste lichidul. Spre deosebire de plutitor care pluteste, imersorul este partial scufundat în lichid iar deplasarea sa este diferita de deplasarea suprafetei de nivel. Pozitia imersorului rezulta ca urmare a realizarii echilibrului între greutatea proprie, forta arhimedica si reactiunea din elementul de suspensie. În figura 2.11 este prezentat un senzor de nivel cu imersor în care ca element de suspensie se foloseste un brat solidar cu un tub de torsiune, care serveste si ca element de transmitere în afara vasului a pozitiei imersorului (deci a nivelului). Variatia înaltimii de scufundare H a imersorului 1 conduce la modificarea fortei F, respectiv a momentului M = LxF care actioneaza asupra tubului de torsiune 3. Deformatiile elastice ale tubului 3 sunt puse în evidenta de axul 4 care le transmite adaptorului deplasare – curent 5, astfel încât valorile intensitatii icurentului i sunt functie de adâncimea de scufundare H a imersorului. Asadar ‚unghiul de torsiune ∆α al capatului interior al tubului este o masura a cuplului reactiv de torsiune si, implicit o masura a nivelului. Nivelul din vas H se determina cu relatia:

Capitolul 2

47

Introducere în cibernetica

H = H + L ⋅ (1 + k ⋅ ∆ α ) , 0

(2.13) unde H0 este un nivel de referinta; L – bratul cuplului; k – constanta de proportionalitate între deplasarea imersorului si adâncimea de scufundare a acestuia.

Fig. 2.11. Schema principiala a unui traductor de nivel cu imersor: 1 – imersor; 2 – tija; 3 – tub de torsiune; 4 – ax de rotatie; 5 – adaptor deplasare unghiulara – curent.

2.2.2. Aparate de viz ualizare Dupa cum s-a aratat a doua componenta a unui sistem de masurat este aparatul de vizualizare AV. Acesta preia variatiile semnalului purtator de informatie s si ofera valoarea masurii marimii x aplicate la intrarea traductorului. Aparatul poate fi numai cu indicare sau cu indicare si înregistrare. Un interes aparte prezinta AV la care vizualizarea se efectueaza prin asa-numita metoda de zero. Aceasta utilizeaza principiul compararii si echilibrarii semnalului de vizualizat (sau al unui semnal intermediar proportional cu cel vizualizat) cu unul de

Capitolul 2

48

Introducere în cibernetica

acelasi fel, dependent liniar de pozitia indicatorului . Este de mentionat ca energia necesara pentru functionarea AV din aceasta categorie nu este preluata din semnal ci de la o sursa externa. Functie de tipul traductorului generator sau parametric AV bazate pe metoda de zero pot fi de tip potentiometru sau punte. Potentiometrul automat. În figura 2.12 este prezentata schema principiala a unui potentiometru electronic automat.

Fig. 2.12. Schema principiala a unui potentiometru electronic automat: A – amplificator electronic sensibil la faza; MR – motor electric reversibil; E – sursa Aferenta potentiometrului; R – potentiometru; DR – dispozitiv de înregistrare.

La intrarea amplificatorului sensibil la faza A se aplica tensiunea ∆U = U − U , c i

unde:

Uc este tensiunea cunoscuta potentiometrului si cursor;

(2.14) (culeasa

între

capatul

a

al

Ui – tensiunea necunoscuta (de la traductor). Daca tensiunile Ui si Uc sunt egale rezulta ∆ U = 0 si în consecinta asupra motorului MR nu se va exercita nici o comanda. Daca Ui ≠ U c atunci ∆ U ≠ 0 si amplificatorul A va genera o comanda catre motorul MR proportionala cu ∆U 8. Dupa Deoarece ∆ U poate fi pozitiva sau negativa iar motorul MR (reversibil) se poate roti în ambele sensuri, rezulta ca amplificatorul A trebuie sa fie sensibil la faza, respectiv sa simta sensul diferentei ∆U . 8

Capitolul 2

49

Introducere în cibernetica

cum se observa din figura 2.12 rotorul motorului antreneaza cursorul potentiometrului (legatura mecanica este reprezentata punctat) si odata cu acesta indicatorul dispozitivului de înregistrare DR. Cursorul va fi antrenat în sensul micsorarii si în final a anularii abaterii ∆ U . Când U i =U c prin rezistorul R va circula un curent constant I astfel încât

U c = Rab ⋅ I = k ⋅ Rab

(2.15)

fapt pentru care valoarea tensiunii U c depinde direct de pozitia cursorului, respectiv de valoarea rezistentei R ab. Relatia de mai sus arata ca scala liniara a potentiometrului poate fi gradata direct în unitati de tensiune. Din figura 2.12 rezulta ca potentiometrul are structura si comportamentul unui SRA abatere care functioneaza în regim de urmarire 9. Atunci când apare o diferenta ∆U ≠ 0, sistemul îsi modifica marimea de comanda i 1 pâna când, prin intermediul transmisiei mecanice se restabileste egalitatea între tensiunile U c si Ui . Puntea automata. Metoda puntii echilibrate este tot o metoda de zero, starea sesizata în acest caz fiind starea de echilibru a puntii. Dupa cum se observa din figura 2.13 puntea înregistratorului este o punte echilibrata 10.

A D

C

∆U

RT B Fig. 2.12. Schema principiala a unei punti electronice automate: A – amplificator electronic sensibil la faza; MR – motor electric reversibil; E – sursa aferenta puntii; RT – rezistenta traductorului parametric; R - potentiometru; DR – dispozitiv de înregistrare. 9

Variatiile tensiunii Uc urmaresc variatiile tensiunii de intrare Ui. La o punte echilibrata tensiunea între punctele aferente diagonalei nealimentate este nula si produsele valorilor rezistentelor din bratele opuse sunt egale respectiv RAB x RCD = RAD x RC B 10

Capitolul 2

50

Introducere în cibernetica

Presupunând puntea echilibrata, o modificare a rezistentei R T a traductorului va dezechilibra puntea. Tensiunea de dezechilibru ∆U va fi aplicata amplificatorului A care va genera la iesire o tensiune de comanda U c proportionala cu valoarea aplicata a l intrare. Servomotorul va deplasa cursorul potentiometrului R în vederea restabilirii echilibrului puntii. Practic reechilibrarea puntii se realizeaza prin deplasarea nodului A si implicit prin modificarea distributiei rezistentei potentiometrului R între cele doua brate adiacente nodului A. Ca si potentiometrul, puntea are structura si functionarea unui SRA abatere, unde referinta este reprezentata de starea de echilibru a puntii. Analizând figura 2.13 se observa ca traductorul rezistiv este conectat la punte prin trei fire. Prin aceasta conectare nodul B se deplaseaza în zona traductorului iar celelalte doua conductoare de legatura (cu rezistenta r) sunt incluse în brate adiacente. Prin aceasta conectare (numita uzual conectate în trei puncte ) se elimina influenta rezistentelor r, asupra rezultatelor masurarii. 2.3.

Regulatoare

Dupa cum s-a aratat regulatorul îndeplineste într-un SRA functia de elaborare si transmitere catre elementul de executie a marimii de comanda u. Relatia în baza careia se determina marimea de comanda constituie algoritmul de reglare. Comanda poate fi determinata prin prelucrarea abaterii sau a informatiilor referitoare la anumite perturbatii. În primul caz regulatorul apartine unui SRA cu actiune dupa abatere iar în al doilea caz unui SRA perturbatie. La regulatoarele dupa abatere algoritmii sunt universali, în timp ce la cei dupa perturbatie acesti algoritmi sunt puternic dependenti de caracteristicile procesului. În continuare vor fi expuse unele elemente referitoare la regulatoarele dupa abatere, schema principiala a unui astfel de regulator fiind prezentata în figura 2.13.

i

+(-)

EC

e

BF

u

- (+) r Fig. 2.13. Schema principiala a unui regulator dupa abatere: EC – element de comparatie; BF – bloc functional; i – referinta; r – reactie; e – abatere; u – comanda.

La nivelul EC se evalueaza abaterea potrivit relatiei

e =i − r ,

(2.16)

e = −i + r .

(2.16’)

sau

Capitolul 2

51

Introducere în cibernetica

Marimea de comanda u se elaboreaza în cadrul blocului functional BF ca functie de abaterea e, respectiv

u = f (e )

(2.17)

În continuare vor fi prezentati câtiva dintre algoritmii de reglare conventionali mai raspânditi. 2.3.1. Algoritmul proportional Corespunzator acestui algoritm marimea de comanda este proportionala cu abaterea, respectiv u = u0 + K p (i-r ) = u0 + K p ⋅ e ,

(2.18)

unde u este valoarea curenta a marimii de comanda; u0 – valoarea marimii de comanda în absenta abaterii; i - marimea de referinta; r - marimea de reactie; e – abaterea; K P – factor de proportionalitate. La regulatoarele fizice se utilizeaza banda de proportionalitate BP legata de factorul K P prin relatia BP =

100 Kp

[% ].

(2.19)

Se defineste caracteristica statica a unui regulator proportional ca fiind dependenta u = f (r )

(2.20)

în conditiile în care referinta i este constanta si factorul KP parametru respectiv, u = u0 + K pi- K p r = a0 + a1r .

(2.21)

Reprezentând relatia (2.21) se obtine un fascicul de drepte, ilustrat în figura 2.14, care se intersecteaza în punctul de coordonate (r=i si u=u 0).

Capitolul 2

52

Introducere în cibernetica

u u 0 + Kp1i Kp1> Kp2> Kp3 u 0 + Kp2i

Kp 2

u 0 + Kp3i

Fig. 2.14. Caracteristica statica a unui regulator proportional.

Kp 3

u=u0 +Kp

r u0 + Kp1i i+u0/Kp1 i+u 0/Kp2 i+u0 /Kp3

r=i I

i+u /K Caracteristica dinamica a unui regulator reprezinta variatia în timp a comenzii u la o variatie cunoscuta în timp a abaterii e11. În figura 2.15 se prezinta caracteristica dinamica a regulatorului P.

i

r

i r

A t

t2

t1

e

A t K Pe

Fig. 2.15 Caracteristica dinamica a unui regulator proportional.

KPA t u K PA u0 tA

t1

t2

t tB

Marimile i si r sunt egale pentru tt2, iar pentru

[

t ∈ t1 , t 2

ce priveste eroarea, e=0 pentru tt2 si e=0 pentru t ∈ [t1 , t 2 ] . Din analiza figurii 2.15 se desprind urmatoarele concluzii:

] i – r = A.

În ceea

a – regulatorul are un raspuns rapid (teoretic comanda u se modifica sincron cu abaterea e); b – la intrari egale si momente de timp diferite (tA , tB ) marimea de comanda u prezinta aceiasi valoare u 0. 11

Variatia abaterii poate fi provocata de variati referintei i, a reactiei r sau a ambelor.

Capitolul 2

53

Introducere în cibernetica

Raspunsul rapid constituie un avantaj în timp ce valoarea unica a comenzii la intrari diferite constituie un dezavantaj major concretizat prin imposibilitatea eliminarii în totalitate a abaterii stationare 12. 2.3.2. Algoritmul integrator În cazul algoritmului integrator ( R – I ) marimea de comanda este proportionala cu integrala abaterii, respectiv u = u0 +

1 t 1 t ∫ (i-r )dt = u0 + ∫ e ⋅ dt , Ti 0 Ti 0

(2.22)

unde u este valoarea curenta a marimii de comanda; u0 – valoarea marimii de comanda în absenta abaterii; i - marimea de referinta; r - marimea de reactie; e - abaterea; T i – constanta de integrare. Deoarece marimea de comanda u este permanent functie de timp rezulta ca R – I nu prezinta caracteristica statica. Caracteristica dinamica a R – I se defineste la fel cu a R – P, în figura 2.16 fiind reprezentat un exemplu de caracteristica dinamica a acestui tip de regulator. i

r

i r

A t

t2

t1

e

A t 1 ∫ e ⋅dτ Ti 0 t

Fig. 2.16. Caracteristica dinamica a unui regulator integrator.

t

u

α

u0 tA

12

t1

t2

t tB

Abaterea stationara reprezinta diferenta dintre marimile prescrisa si reglata în regim stationar, respectiv est = ist – rst .

Capitolul 2

54

Introducere în cibernetica

Marimile i si r sunt egale pentru tt2, iar pentru

[ ]

]

t ∈ t1 , t 2 i – r = A. În ceea t ∈ t1 , t 2 . Pentru variatia treapta

ce priveste eroarea, e=0 pentru tt2 si e=A pentru [ de amplitudine A se obtine urmatoarea relatie pentru determinarea comenzii pentru

[

t ∈ t1 , t 2

]

u = u0 +

[ ]

A ⋅t Ti t ∈ t1 , t 2

(2.23)

Din analiza figurii 2.16 se desprind urmatoarele concluzii: a – regulatorul are un raspuns lent în raport cu R- P; b – la intrari egale si momente de timp diferite (tA, tB ) marimea de comanda u ia valori diferite; c – tg α =

[ ]

A Ti t ∈ t1, t2

(cu alte cuvinte constanta Ti determina viteza de integrare

si nu durata integrarii. Raspunsul lent constituie un dezavantaj în timp ce valorile diferite ale comenzii la intrari diferite constituie un avantaj major concretizat posibilitatea eliminarii în totalitate a abaterii stationare. 2.3.3. Algoritmul proportional – integrator În cazul acestui algoritm ( R – PI ) marimea de comanda este proportionala cu abaterea si cu integrala acesteia, respectiv u = u0 + K p ⋅ e +

1 t ∫ e ⋅ dt , Ti 0

(2.25)

unde u este valoarea curenta a marimii de comanda; u 0 – valoarea marimii de comanda în absenta abaterii; e - abaterea; K P – factor de proportionalitate; T i – constanta de integrare. Deoarece marimea de comanda u este permanent functie de timp rezulta ca R – PI nu prezinta caracteristica statica. Caracteristica dinamica a R – PI se defineste la fel cu a R – P, în figura 2.17 fiind reprezentat un exemplu de caracteristica dinamica a acestui tip de regulator.

Capitolul 2

55

Introducere în cibernetica

i

r

i r

A t

t2

t1

e

A t KP e KP A

1t ∫ e ⋅dτ Ti 0

t

α

t

u KP A

α

KP A

α

u0 tA

t1

t2

t

tB

Din analiza figurii 2.17 rezulta urmatoarele concluzii: a – la momentul t1 regulatorul are un raspuns rapid corespunzator componentei proportionale; b – la intrari egale si momente de timp diferite (tA, tB ) marimea de comanda u ia valori diferite ceea ce conduce la ideea posibilitatii de eliminare în totalitate a abaterii stationare. Din examinarea concluziilor de mai sus rezulta ca R-PI îmbina avantajele celor doua componente 13 si elimina dezavantajele acestora 14. 2.3.4. Algoritmul proportional – derivator Pentru algoritmul PD ( R – PD ) marimea de comanda este proportionala cu abaterea si cu derivata acesteia, respectiv u = u0 + K p ⋅ e + Td

de , dt

(2.26)

unde u este valoarea curenta a marimii de comanda; u0 – valoarea marimii de comanda în absenta abaterii; 13 14

Raspuns rapid (componenta P) si eliminarea abaterii stationare (componenta I). Raspuns lent (componenta I) si persistenta abaterii stationare (componenta P).

Capitolul 2

56

Introducere în cibernetica

e - abaterea; K P – factor de proportionalitate; T d – constanta de derivare. Deoarece marimea de comanda u este permanent functie de ti mp rezulta ca R – PD nu prezinta caracteristica statica. Caracteristica dinamica a R – PD se defineste la fel cu a regulatoarelor precedente, în figura 2.18 fiind reprezentat un exemplu de caracteristica dinamica a acestui tip de regulator. Din anali za figurii 2.18 rezulta ca în raport cu R – P, caracteristica R – PD prezinta un exces de comanda 15.

i

r

i α a

r

t

t2

t1

e

α

t

a

KP e β

Td

de dt

t

KP A

KP A

t

Fig. 2.18. Caracteristica dinamica a unui regulator proportional derivator.

u KP A

β

KP A

β

u0 t1

tA

t2

t tB

2.3.5. Algoritmul proportional – integrator – derivator

15

[

]

Pentru t ∈ t , t comanda R – PD difera de cea a R – P cu K P A. 1 2

Capitolul 2

57

Introducere în cibernetica

În cazul algoritmului PID ( R – PID ) marimea de comanda este proportionala cu abaterea, cu integrala si cu derivata acesteia conform relatiei

u = u0 + K p ⋅ e +

1t de , ∫ e ⋅ dt + Td Ti 0 dt

(2.27)

unde u este valoarea curenta a marimii de comanda; u0 – valoarea marimii de comanda în absenta abaterii; e - abaterea; K P – factor de proportionalitate; T i – constanta de integrare; T d – constanta de derivare. Deoarece marimea de comanda u este permanent functie de timp rezulta ca R – PID nu prezinta caracteristica statica. Caracteristica dinamica a R – PID se defineste ca în cazurile precedente , în figura 2.19 fiind reprezentat un exemplu de caracteristica dinamica a acestui tip de regulator. i

r

i r

A t

t2

t1

e

A t KP e KP A

1t ∫ e ⋅dτ Ti 0 Td

t

α

t

Fig. 2.19. Caracteristica dinamica a unui regulator proportional – integrator - derivator.

de dt

t

u KP A

α

KP A

α

u0

Capitolul 2

tA

t1

t2

t tB

58

Introducere în cibernetica

Din analiza figurii 2.19 rezulta urmatoarele concluzii: a – raspunsul componentei derivatoare la un semnal treapta este un impuls Dirac16; b – la momentul t1 si t2 comanda ia valoarea maxime corespunzatoare componentei d erivatoare (exces de comanda); c – la intrari egale si momente de timp diferite (tA, tB ) marimea de comanda u ia valori diferite ceea ce conduce la ideea posibilitatii de eliminare în totalitate a abaterii stationare; d – ordinea în care se manifesta cele trei componente este D, P, I. Examinând concluziile de mai sus rezulta ca R-PID îmbina avantajele celor trei componente si anume: -

exces de comanda datorat componentei derivatoare ;

-

raspuns rapid datorat componentei proportionale;

-

eliminarea abaterii stationare datorita componentei integratoare. 2.3.6. Algoritmul bipozitional

Spre deosebire de algoritmii analizati anterior, în cazul algoritmului bipozitional (R – BP) marimea de comanda are numai doua valori aspect evidentiat în caracteristica statica din figura 2.20 17. r ≤ i1

∆

u

umax daca

umax u(t)

=

r ≥ i2

umin daca umin i 1= i- ∆ / 2

i

i2= i+ ∆ / 2

sau r ∈ (i1,i2 ) si u(t − 1) = umax

sau

r ∈ (i1 ,i2 ) si u(t − 1) = umin

r

Fig. 2.20. Caracteristica statica si modul de determinare a valorilor comenzii: umin , u max – valorile minima, maxima pentru comanda; ∆ – latimea zonei de histerezis.

{

0 , pt .t ≠ 0 ∞ , pt .t = 0

16

Impulsul teoretic Dirac este definit astfel δ ( t ) =

17

Acest tip de caracteristica este neliniara si se numeste caracteristica tip releu cu histerezis.

Capitolul 2

59

Introducere în cibernetica

Caracteristicile R – BP vor fi evidentiate considerând un SRA temperatura prevazut cu un astfel de regulator (SRA T-B) si a carui schema principiala este prezentata în figura 2.21. Caldura dezvoltata prin efect termic al curentului ce strabate rezistorul 5 este transferata apei din vasul 1. Principalele perturbatii sunt reprezentate de temperatura mediului Tm si de debitul Q T al lichidului care strabate serpentina 4. Prezenta agitatorului 6 face ca temperatura sa fie aceiasi în fiecare punct al lichidului din vas18. 1

Ti

2

TC

u

r 3

TT

Tm QT

T

220 V 50 Hz

4

5

6

7

Fig. 2.21. Schema principiala a SRA bipozitional temperatura: 1 - vas cu apa; 2 – indicator de debit tip rotametru; 3 - robinet manual; 4 serpentina pentru apa de racire; 5 - rezistenta de încalzire; 6 - agitator; 7 contact cuplare rezistenta; TT - traductor de temperatura (termorezistenta Pt100); TC - regulator bipozitional ; r - marime de reactie; u - marime de comanda; T – temperatura curenta; T i - referinta.

Rolul regulatorului si functionarea sistemului pot fi mai bine întelese din examinarea figurii 2.22 în care sunt evidentiate schema bloc si o schema principiala simplificata a SRA B-T.

18

Sistemele la care valoarea unui parametru este functie numai de timp (nu si de punct) se numesc sisteme cu par ametri concentrati. Sistemele la care valoarea unui parametru este functie si de punmct se numesc sisteme cu parametri distribuiti.

Capitolul 2

60

Introducere în cibernetica

Qr

TT

TC

Tm

Qr

Ti TC

Tm 1R

a)

EE

R r

220 V 50 Hz

T

u

Ti

m (W)

Proces

TT

220 V 50 Hz

Fig. 2.22. Scheme ale SRA temperatura bipozitional: a - schema principiala; b - schema de structura; R - bobina releu intermediar; 1R - contact al releului; Ti, T - temperatura prescrisa, respectiv reglata; u - marime de comanda (stare contact); m - marime de executie (debit caloric W).

Pornind de la forma generala a caracteristicii R – B, exprimata în figura 2.20 si de structura SRA B-T din fig, 2.21 si 2.22 rezulta urmatoarele relatii pentru caracteristica statica a regulatorului:

220V dacaT ≤ T1; 220V dacaT ∈ (T ,T ) si u(t −1 ) = 220V ;  1 2 u=  0V dacaT ≥ T2 ;  0V dacaT ∈ (T1,T2 ) si u(t −1 ) = 0V .

(2.28)

În ceea ce priveste caracteristica dinamica, aceasta este reprezentata de o succesiune de impulsuri cu amplitudinea de 220 V, care determina pentru marimea reglata efectuarea de oscilatii cu amplitudinea ± ∆ / 2 in jurul referintei T i. Este de mentionat faptul ca la trasarea caracteristicii dinamice din figura 2.23.b nu s-a tinut cont de inertia procesului

U [V] 220

a) ∆ T1=Ti - ∆

Capitolul 2

Ti

T [°C] T2 =Ti + ∆

61

Introducere în cibernetica

T [°C] T2 Ti

∆

T1 T0

t U [V]

b)

220 t 0

Fig. 2.23. Regulatorul bipozitional: a - caracteristica statica; c - caracteristica dinamica; Ti - temperatura prescrisa; T - temperatura curenta; ∆ - latimea benzii de histerezis; U - comanda.

Precizia SRA cu regulator bipozitional este cu atât mai ridicata cu cat latimea benzii de histerezis este mai mica, insa o micsorare excesiva a acesteia conduce la o frecventa ridicata de comutatie cu influente negative asupra fiabilitatii regulatorului. 2.4.

Echipamente numerice de conducere

În prezent echipamentele de automatizare sunt aproape în exclusivitate numerice. Acestea pot fi utilizate pentru realizarea celor patru functii relevante asociate automatizarii proceselor si anume: - cunoasterea starii ; - reglarea automata; - protectia automata; - optimizarea automata. În continuare vor fi prezentate unele elemente privind integrarea echipamentelor numerice (EN) în dispozitivul de automatizare si unele cerinte la care acestea trebuie sa raspunda. 2.4.1. Integrarea echipamentelor numerice în dispozitivul de automatizare Motivatia implicarii echipamentelor numerice de calcul, deci a calculatoarelor, în procesul de adoptare a deciziilor consta în marea lor capacitate de prelucrare a informatiilor. Caracteristica dominanta a unui sistem de conducere care utilizeaza calculatoare numerice este reprezentata de capacitatea sa de a colecta, analiza,

Capitolul 2

62

Introducere în cibernetica

prelucra si difuza mari cantitati de informatie într-un timp acceptabil din punctul de vedere al obiectului condus. Realizarea sistemelor informatice integrate de conducere presupune utilizarea pe diverse niveluri ierarhice a calculatoarelor cu caracteristici si performante adecvate nivelului respectiv. Organizarea unui sistem ierarhic de conducere are în vedere distribuirea informatiei ce trebuie prelucrata în cadrul sistemului ierarhic. Sistemele automate sunt de regula specifice nivelurilor în care informatia de natura tehnica este preponderenta. Echipamentele numerice de calcul pot fi implicate în realizarea tuturor celor patru functii ale automatizarii ca parte componenta esentiala a dispozitivelor de automatizare aferente. Cunoasterea starii unui proces presupune masurarea unui numar de variabile egal cu numarul gradelor de libertate ale procesului F definit ca diferenta între numarul total de variabile L si numarul de relatii independente M care pot fi scrise între cele L variabile. Determinarea valorilor pentru cele M= L-F variabile se realizeaza cu ajutorul unui calculator numeric conectat nemijlocit la proces, ca parte integranta a dispozitivului de automatizare. De asemenea, în cadrul acestei functii calculatorul poate furniza informatii privind istoricul procesului sau poate face estimari în legatura cu evolutia ulterioara a acestuia. Functia de reglare implica determinarea comenzii conform unor algoritmi universali (reglarea dupa abatere) sau specifici (reglarea dupa perturbatie). Utilizarea tehnicii numerice de calcul în reglarea dupa abatere s-a impus datorita unor avantaje importante cum ar fi: - posibilita tea selectiei algoritmului de reglare; - posibilitatea acordarii automate; - comutarea regimurilor fara echilibrari prealabile; - precizie si fiabilitate ridicate. În ceea ce priveste reglarea dupa perturbatie, practic algoritmii specifici nu pot fi implementati decât pe suportul oferit de echipamentele numerice de calcul. Considerente legate de avantajele oferite de reglarea combinata (dupa abatere si dupa perturbatie) impun de asemenea utilizarea calculatorului numeric pentru determinarea si generarea marimilor de comanda. Din punctul de vedere al conectarii la proces calculatoarele destinate realizarii functiei de reglare trebuie sa prezinte facilitati atât pentru prelucrarea marimilor din proces cât si pentru transmiterea comenzilor catre acesta. Sistemele de protectie automata (SPA) trebuie sa asigure preîntâmpinarea aparitiei unor anomalii în desfasurarea procesului sau sa limiteze consecintele, în cazul în care acestea se produc. Cresterea eficientei protectiei automate poate fi reali zata prin utilizarea logicii programate (specifice echipamentelor numerice) în locul celei cablate pentru implementarea functiilor blocului logic de comanda (BLC)19. 19

BLC asigura generarea functiilor de de protectie pe baza analizei intrarilor si în conformitate cu un algoritm predefinit.

Capitolul 2

63

Introducere în cibernetica

Datorita sistemului de întreruperi si a vitezei ridicate de procesare, calculatorul implicat în protectie elimina neajunsul imposibilitatii discriminarii momentului aparitiei primei avarii specificc sistemelor clasice. Se au în vedere iesirile din functiune ale unor utilaje a caror functionare normala este conditionata de mai multi parametri interdependenti. Stabilirea ordinei în care parametrii s-au situat în afara limitelor normale constituie un ghid important în vederea stabilirii cauzei care a declansat avaria. Un alt avantaj al implicarii calculatorului în protectia automata este reprezentat de posibilitatea constituirii si memorarii unui jurnal al evenimentelor deosebite (alarme, confirmari, blocari etc.). Prin consultarea acestui jurnal se poate crea o imagine privind comportarea instalatiei si activitatea personalului de operare. Conducerea optimala, care presupune solutionarea unei probleme de optimizare nu este posibila decât cu utilizarea echipamentelor numerice de calcul. Fara a necesita o legatura nemijlocita cu procesul calculatorul destinat nivelului conducerii optimale trebuie sa primeasca atât informatii tehnice sintetice de la nivelul inferior (al reglarii automate) cât si informatii de natura economica de la nivelul superior al deciziei economice. Din cele expuse rezulta ca echipamentele numerice moderne ofera posibilitati de implementare a tuturor functiilor aferente automatizarii. În concluzie, calculatorul electronic, datorita capabilitatilor sale deosebite tinde sa devina principalul component al dispozitivului de automatizare. 2.4.2. Modalitati de conectare a unui calculator la proces Indiferent ca este destinat unei întregi instalatii sau unei sectiuni din aceasta, un calculator capabil sa prelucreze informatia de proces poate fi conectat la acesta în mai multe moduri care vor fi detaliate în cele ce urmeaza. • Conectarea „off-line”. Calculatorul nu este conectat fizic la proces, legatura informationala între cele doua entitati fiind realizata prin intermediul operatorului uman (figura 2.24). Acest mod de conectare, amintit mai mult din considerente istorice, este specific perioadei în care dezvoltarea tehnologica în domeniul electronicii nu permitea reali zarea unei legaturi nemijlocite între calculator si proces.

CALCULATOR Informatii

Comenzi

PROCES Fig. 2.24. Conectarera off-line a calculatorului la proces.

Capitolul 2

64

Introducere în cibernetica

Calculatorul implicat în acest mod de conectare este un calculator universal, care nu ofera posibilitati de conectare la proces sau de procesare în timp real 20 a informatiei de natura tehnica. . Din acest motiv unui asemenea calculator nu i se pot încredinta functii legate de supravegherea sau cond ucerea procesului. În masura în care se dispune de un model, calculatorul poate fi utilizat pentru simularea procesului pe baza datelor reale. Aceste date privind starea procesului sunt introduse de catre operator de la un periferic de intrare (uzual tastatura). Rezultatele simularii sunt oferite de asemenea prin intermediul unui periferic (ecran sau imprimanta). Aceste rezultate sunt interpretate de catre operator si pe baza lor acesta poate transmite comenzi în proces, prin intermediul referintelor regulatoarelor automate. • Conectarea „on-line” numai pe intrari. Calculatorul este conectat fizic la proces, de la care primeste informatii prin intermediul unei interfete adecvate (figura 2.25). Unui calculator astfel conectat i se pot încredinta în exclusivitate sarcini de supraveghere a procesului. Supravegherea presupune atât informarea în legatura cu starea curenta procesului cât si avertizarea în situatiile în care valoarea unui parametru se situeaza în afara limitelor permise. În afara informarii privind situatia curenta, pot fi constituite fisiere istorice ale evolutiei procesului sau alarmelor.

CALCULATOR

Informatii

PROCES Fig. 2.25. Conectarea on-line a calculatorului la proces numai pe intrari

Din considerente legate de eficienta utilizarii calculatorului, acest mod de conectare nu poate constitui un scop în sine, ci doar un prim pas spre implicarea acestuia în elaborarea si generarea comenzilor catre proces. • Conectarea „on-line” în regim ghid operator. Si în acest caz legatura nemijlocita cu procesul se face tot numai pe intrari (figura 2.26). •

20

Notiune de timp real va fi definita în paragraful urmator.

Capitolul 2

65

Introducere în cibernetica

CALCULATOR Comenzi

Informatii

PROCES Fig. 2.26. Conectarera calculatorului la proces în regim ghid-operator

Din punct de vedere al functiilor, pe lânga cea de supraveghere a procesului, calculatorul determina si comenzile însa acestea nu sunt aplicate procesului ci numai afisate, constituind un ghid al operatoului. Si acest mod de conectare constituie o etapa tranzitorie catre realizarea cuplarii calculatorului atât pe achizitii cât si pe comenzi. Aceasta etapa este în primul rând necesara pentru validarea algoritmului de elaborare a comenzilor, dar si pentru captarea interesului personalului de operare fata de echipamentul de conducere. • Conectarea „on-line” integrala. Calculatorul poseda o interfata completa care permite conectarea la proces atât pe intrari cât si pe iesiri (figura 2.27), transmiterea comenzilor putându-se realiza direct sau indirect. În cadrul primei modalitati se mentine automatizarea conventionala, iar comenzile calculate se transmit ca referinte regulatoarelor aferente nivelului reglarii conventionale.

CALCULATOR Informatii

Comenzi

PROCES Fig. 2.27. Conectarea integrala a calculatorului la proces .

În aceasta situatie calculatorul realizeaza conducerea prin fixarea marimilor de referinta (Set Point Control). Aplicarea directa a comenzii catre elementul de executie a impus conducerea numerica directa (Direct Digital Control). Datorita eliminarii nivelului intermediar al regulatoarelor conventionale disponibilitatea echipamentului numeric implicat trebuie sa fie mai mare de 99,9% din durata totala de serviciu.

Capitolul 2

66

Introducere în cibernetica

2.4.3. Cerin te impuse unui echipament numeric de conducere Pentru a fi utilizate în domeniul conducerii proceselor, calculatoarele numerice trebuie sa raspunda unor cerinte între care de o importanta aparte sunt considerate urmatoarele: -

siguranta în functionare; procesarea informatiei în timp real; posibilitatea conectarii la perifericele de proces; posibilitatea dialogului cu personalul de operare.

Siguranta în functionare a EN în calitate de componenta a calitatii 21 se apreciaza prin intermediul fiabilitatatii, mentenabilitatii, disponibilitatii si a indicatorilor specifici. . Fiabilitatea se defineste din punct de vedere calitativ ca fiind aptitudinea unui EN de a îndeplini corect functiile prevazute un anumit timp în conditii de exploatare specificate. Principalul indicator al fiabilitatii este timpul mediu între defectiuni (MTBF Mean Time Between Failures) definit ca medie a de buna functionare pentru numarul de produse luate în considerare. Mentenanta reprezinta ansamblul tuturor actiunilor legate de mentinerea si restabilirea functiilor unui produs, în speta. Legat nemijlocit de mentenanta exista conceptul de mentenabilitate, definit îÎn sens calitativ ca fiind aptitudinea unui produs de a fi mentinut sau repus în functiune în conditii prescrise. Principalul indicator al M este media timpilor de reparatie MTR (Mean Time Reparation) si care reprezinta timpul mediu dupa care un echipament poate fi repus în functiune Disponibilitatea unui produs (D), reprezinta din punct de vedere calitativ aptitudinea unui produs de a-si îndeplini functiile specificate sub aspectul combinat al fiabilitatii si mentenabilitatii la un moment dat sau un timp specificat. Uzual disponibilitatea unui produs se apreciaza prin intermediul indicatorilor, între care cel mai important este coeficientul de disponibilitate definit în functie de MTBF si MTR prin relatia KA =

MTBF *100 MTBF + MTR

(2.26)

Prelucrarea informatiei în timp real Un sistem de conducere are comportare în timp real daca viteza de reactie la stimulii din proces este în concordanta cu inertia 21

Calitatea reprezinta totalitatea proprietatilor si caracteristicilor unui produs sau serviciu care îi confera acestuia aptitudinea de a satisface anumite cerinte exprimate sau implicite.

Capitolul 2

67

Introducere în cibernetica

acestuia. Comportarea în timp real (CTR) presupune un sincronism care trebuie sa existe între operatiile interne de calcul si evenimentele lumii exterioare. Se vorbeste de CTR la preluarea datelor din proces si la transmiterea comenzilor catre acesta. CTR la achizitia datelor implica obtinerea informatiei aferente într-un interval de timp inferior celei mai mici constante de timp a procesului. Informatia privind parametrii procesului poate fi destinata prelucrarii într-un algoritm de conducere si /sau vizualizarii pe ecranele consolei operatorului de proces. În fiecare din situatii informatia trebuie sa devina disponibila înainte ca datele din proces sa-si piarda consistenta. CTR la transmiterea comenzii catre proces presupune implementarea acesteia înainte ca informatia pe baza careia a fost determinata sa-si piarda valabilitatea. Conectarea la perifericele de proces Utilizarea echipamentelor numerice de calcul în conducerea proceselor presupune un permanent schimb de informatie între cele doua entitati. Informatia privind starea procesului se obtine prin intermediul traductoarelor iar transpunerea în proces a comenzilor generate de catre echipamentul numeric este realizata de catre elementele de executie. Pentru echipamentul numeric de conducere procesul reprezinta unul din utilizatori. Pentru acest utilizator special traductoarele faciliteaza introducerea informatiei în echipamentul numeric, iar elementele de executie permit preluarea informatiei de la acesta. Având în vedere consideratiile de mai sus, traductoarele si elementele de executie reprezinta echipamente periferice de un tip deosebit, care în continuare vor fi numite echipamente periferice de proces (EPP). Multitudinea problemelor ce se cer a fi rezolvate de catre sistemele automate aflate în legatura nemijlocita cu procesul implica existenta unei mari diversitati de EPP. Indiferent carui tip apartin EPP, exista o totala incompatibilitate între semnalele specifice acestora si cele cu care opereaza în mod curent echipamentele de conducere. Pentru a putea fi conectat la EPP un echipament de conducere trebuie sa contina o interfata adecvata. Un sistem de interfata cu procesul (SIP) contine doua subsisteme destinate functiilor de achizitie a semnalelor furnizate de traductoare si respectiv de generare a semnalelor de comanda catre elementele de executie. În figura 2.28 se prezi nta structura unui SIP în care sunt evidentiate cele doua sectiuni de achizitie a datelor (SAD), respectiv de distributie a comenzilor (SDC) fiecare cu câte o sectiune analogica (SADA, SDCA) respectiv numerica (SADN, SDCN).

Capitolul 2

68

Introducere în cibernetica

CALCULATOR

SADA

SADN

SDCA

SAD

SDCN SDC

P R O C E S Fig. 2.28 Structura generala a unui sistem de interfata cu procesul.

Dialogul cu personalul de operare. Conducerea instalatiilor tehnologice se realizeaza din camere sau puncte de comanda. În aceste locuri trebuie sa existe mijloace capabile sa ofere operatorului de proces posibilitati care sa-i permita atât informarea privind starea procesului cât si interventii ocazionate de anumite evenimente aparute în evolutia acestuia. În cadrul echipamentelor de conducere aceste facilitati sunt oferite de consola operatorului de proces (COP). Uzual în structura unei COP intra ecrane cu tub catodic, tastaturi si mai rar chei, butoane, lampi etc. COP în calitate de componenta a echipamentului de conducere trebuie sa satisfaca si cerintele legate de siguranta în functionare si de prelucrarea în timp real. COP trebuie astfel realizata încât sa permita de comunicare cu EC pentru a personalului de operare care, de regula, cunoaste foarte bine procesul dar detine cunostinte minime asupra echipamentului.

2.5.

Elemente de executie

Elementul de executie (EE) realizeaza implementarea în proces a marimii de comanda elaborate de catre regulator sau de catre alt dispozitiv ce se substituie acestuia. Unul dintre cele mai raspândite EE este robinetul de reglare (RR) care asigura transpunerea în proces a marimii de comanda prin modificarea debitului unui fluid. Asa cum reiese din figura 2.29 unde se prezinta schema principiala a unui RR, în structura acestuia intra doua eleme nte cu functii bine precizate si anume servomotorul (SM) si organul de reglare (OR). OR cele mai raspândite modifica debitul de fluid printr-

Capitolul 2

69

Introducere în cibernetica

un proces dce strangulare, din acest punct de vedere OR reprezentând o rezistenta hidraulica variabila.

SM

OR

Fig. 2.29. Schema principiala a unui robinet de reglare: SM – servomotor; OR – organ de reglare; 1 – resort; 2 – membrana rigidizata; 3 – tija; 4 – sistem etansare; 5 – obturator; 6 – scaun; 7 – corp.; Pc – presiune de comanda; H – cursa tija; P1, P2 – presiuni înainte, dupa robinet.

Robinetului de reglare reprezentat în figura 2.29 i se poate asocia schema bloc din figura 2.30, care evidentiaza faptul SM si OR se interconecteaza prin marimea H care desemneaza deplasarea tijei 3. H

PC

SM

Q

OR

Fig. 2.30. Schema bloc a unui robinet de reglare.

Capitolul 2

70

Introducere în cibernetica

Variatiile marimii de comanda generate de regulator (obisnuit de natura electrica sunt transpuse de catre un convertor electropneumatic în variatii ale unei presiuni de comanda Pc 22. Aplicata pe fata inferioara a membranei rigidizate 2 aceasta presiune determina apari tia unei forte care va imprima ansamblului tija-obturator o miscare ascendenta. Prin departarea obturatorului aria sectiunii de trecere (dintre obturator si scaun) va creste si prin urmare debitul va crestet. Miscarea va continua pâna când forta de apasare pe membrana va deveni egala cu forta elastica dezvoltata în resortul 1. RR reprezentat în figura 2.29 este normal23 închis la care presiunea de comanda deschide si resortul închide. Pe baza reprezentarii din figura 2.30 se poate defini caracteristica statica a SM ca fiind dependenta cursei H fata variatiile presiunii de comanda Pc. Datorita frecarilor care au loc în sistemele de etansare 4 caracteristica statica este cu histerezis (figura 2.31) prezentând doua ramuri corespunzatoare celor doua sensuri de miscare a tijei.

Fig. 2.31. Caracteristica statica H =f (Pc) a unui servomotor pneumatic.

Dezavantajul unei asemenea caracteristici consta în necesitatea variatiei presiunii cu ∆ Pc (latimea zonei de histerezis) la trecerea de pe o ramura pe alta fara ca tija sa se deplaseze Pentru corectarea efectului de histerezis si pentru micsorarea inertiei datorate fenomenului de acumulare în camera de aer situata sub membrana se utilizeaza pozitionerul conectat ca în figura 2.32.

22 23

Un doniu uzual pentru presiunea de comanda Pc este 0,2… 1 bar.. Starea normala reprezinta starea în care se gaseste un RR în absenta semnaliâ

Capitolul 2

71

Introducere în cibernetica

Fig. 2.32. Sistemul de pozitionare a tijei servomotorului: a - pozitionerul este integrat cu convertorul electropneumatic; SM echipat cu PZ pneumatic; 1 – Servomotor 2 – organ de reglare; 3 – pozitioner.

Pozitionerul este cde fapt un regulator care împreuna cu servomotorul se constituie într-un SRA – pozitie de urmarire. Se observa existenta unei conexiuni mecanice figurata prin linie punctata, prin care se transmite PZ pozitia curenta a tijei. Scopul acestui SRA este de a mentine cursa H la o valoare cât mai apropiata de referinta Hi În figura 2.33 se prezinta , cu titlu de exemplu, caracteristica statica corectata cu ajutorul pozitionerului.

Fig. 2.33. Caracteristica statica ideala a unui SM echipat cu pozitioner.

În ceea ce priveste organul de reglare acestuia îi sunt specifice doua caracteristici statice si anume: -

caracteristica statica intrinseca (CSI);

-

caracteristica statica de lucru (CSL).

Capitolul 2

72

Introducere în cibernetica

Dependenta între caderea de presiune pe o rezistenta hidraulica si debit în regim de curgere turbulenta este

Q = εαA r

2∆ Pr ρ

m3   s   

(2.27)

unde ?Pr este caderea de presiune pe RR în N/m2 ;

ρ

- densitatea fluidului în kg/m3;

Ar

- aria sectiunii de trecere dintre obturator si scaun în m2;

ε

- coeficient de compresibilitate (adim)

α

- coeficient de debit (adim).

Daca în relatia (2.27) se noteaza Kv = εαA 2 r

se obtine

Q=K

sau

Kv = Q

v

m2  ,  

∆ Pr ρ ρ ∆ Pr

m 3 /s    m 2  .  

(2.28)

(2.29)

(2.30)

Relatia (2.30) arata ca parametrul Kv este egal (numai din punct de vedere numeric) cu debitul de apa care circula prin OR în conditiile în care pe acesta se mentine o cadere de presiune egala cu un bar.24 Modul în care a fost introdus parametrul Kv arata ca acesta depinde numai de caracteristicile proprii ale OR, fara a tine cont de sistemul hidraulic. Din aceste considerente dependenta Kv = f(H)

(2.31)

a fost numita caracteristica statica intrinseca.

24

Datorita acestei egalitati Kv se mai numeste si debit specific.

Capitolul 2

73

Introducere în cibernetica

Practica fabricarii si utilizarii RR deschidere rapida, ilustrate în figura 2.34.

au impus CSI liniara, logaritmica, cu

Fig. 2.33. Tipuri de CSI: 1 – cu deschidere rapida; 2 – liniara; 3 – logaritmica.

Caracteristica statica de lucru reprezinta dependenta Kv=f(H). În figura 2.34 sunt prezentate familii de CSL corespunzatoare la RR cu CSI liniara respectiv logaritmica.

a

b

Fig. 2.34. Caracteristici statice de lucru pentru OR cu CSI liniara (a) respectiv llogaritmica (b,)

Capitolul 2

74